淺談RC剪力墻構件與結構抗震性能改善方法

榮先亮 西安建筑科技大學 陜西西安 710055

引 言

RC剪力墻作為RC框剪、剪力墻等結構的主要抗側力構件，廣泛應用于現代高層建筑結構中。在水平地震作用下，不同剪跨比RC剪力墻常表現為彎曲，彎剪及剪切破壞狀態。然而需要指出的是：彎剪與剪切破壞時，RC剪力墻塑性鉸區域損傷嚴重，破壞突然，抗震性能較差。鑒于此，本文通過在RC剪力墻構件塑性鉸區采用纖維增強混凝土替代普通混凝土以及采用多塑性鉸剪力墻結構，以減小剪力墻結構與構件在罕遇地震作用下的內力，提高結構抗震性能，降低震后修復費用。

1 RC剪力墻抗震性能試驗研究

近年來，國內外學者就RC剪力墻抗震性能開展了大量研究且大部分學者均使用位移控制或位移與荷載混合控制的擬靜力加載方法得到剪力墻構件在水平作用力下的墻頂水平荷載-位移關系。通過研究分析墻體荷載-位移關系，得出：較低剪跨比RC剪力墻在水平地震作用下整個破壞過程通常表現為：墻體腳部外側縱向受拉鋼筋屈服→受壓區混凝土壓碎剝落→箍筋逐漸屈服發展→核心區混凝土逐步壓酥→個別縱向鋼筋壓屈→箍筋彎鉤拉直張開→縱向鋼筋壓屈呈“燈籠狀”，最終因承載力迅速下降，構件宣告破壞。由整個破壞過程可見：剪力墻構件變形性能及抗震性能較差，呈典型的彎剪或剪切破壞。

2 纖維增強混凝土優點

纖維增強混凝土是一種高韌性的延性混凝土，現有研究表明：1) FRC具有超高的受拉應變-硬化性能及受壓應變能力，故可用于高剪應力作用下的受彎構件和受剪為主的構件，部分減少甚至替代抗震構件中約束鋼筋的數量；2) FRC可增大受剪及受彎RC構件的變形能力、損傷容限以及受剪強度，即使在無橫向鋼筋或橫向鋼筋很少時，RC構件仍具有較高的變形能力、損傷容限以及受剪強度。

此外，FRC已逐漸走上綠色化道路（用工業廢料粉煤灰部分替代水泥），經活性摻合料與纖維的有效復合，界面結構的優化與強化、界面粘結和界面效應的發揮與提高，提高了普通混凝土材料各項關鍵性能；同時，大幅度提升了RC結構的耐久性及建筑結構的服役壽命。此外，節約了大量的資源和能源，保護了生態環境。

3 RC剪力墻構件與結構抗震性能改善方法

RC剪力墻在水平地震作用下，通常其底部截面剪力及彎矩最大，為墻體危險部位。考慮RC剪力墻的抗震特點，結合FRC的力學性能優點，采用在RC剪力墻潛在塑性郊區使用纖維增強混凝土替代普通混凝土以改善RC結構與構件的損傷容限，承載能力，變形能力，抗剪性能以及抗震性能，從而減輕由地震所造成的RC結構與構件的破壞，便于震后修復，震后修復費用。

此外，我國規范推薦使用以第一振型為主的振型分解反應譜法（忽略高階振型的影響）確定結構的內力和位移。而現有研究表明：在高烈度區，按照振型分解反應譜法設計即只在底部設置塑性鉸區的剪力墻結構受到高階振型影響較大，從而顯著增加剪力墻結構地震反應。此時，為保證剪力墻結構在罕遇地震下安全可靠，滿足抗震設防要求，同時使結構上部保持彈性，需要增加結構的截面配筋率，尤其是水平分布筋及箍筋配筋率，但隨之帶來的是梁柱節點處鋼筋過密與經濟性差的缺點。

隨著剪力墻結構高度的不斷增加，保證其上部處于彈性狀態變的十分困難。鑒于此，Panagiotou等通過對結構進行數值分析，提出剪力墻結構雙塑性鉸區設計理論，即在剪力墻底部和H/2處分別設置塑性鉸區即可顯著降低高階振型的影響。梁興文等基于Panagiotou等的思路，應用PERFORM-3D軟件，分別建立20層和40層鋼筋混凝土框架-核心筒結構非線性纖維模型，通過對比罕遇地震作用下塑性鉸數量和布置位置對結構體系地震反應的影響，提出當塑形郊區數量超過3個時，結構的地震內力基本保持不變，且沿高度方向均勻布置3個塑性鉸可顯著減小結構在罕遇地震下的內力及相應，使結構受高階振型影響最小，提高結構的抗震性能。

4 結論

（1）FRC替代普通混凝土，可顯著改善RC結構與構件的損傷容限與抗震性能，從而減輕由地震所造成的RC結構與構件的破壞，便于震后修復，減小地震后的修復費用。但纖維的分散效果，增韌性及纖維造價有待于改善。

（2）剪力墻結構均勻布置多塑性鉸區可顯著減小高階振型的影響，大幅度降低地震反應，提高建筑結構的安全性能，提高建筑結構的經濟效益。但不同高度剪力墻結構具體布置幾個塑性鉸區才能使結構抗震性能達到最優化有待于進一步討論。